地球是一個多圈層耦合系統。從空間物質分布角度來說，地表向上依次分布著大氣層、電離層（熱層）、等離子體層、等離子體片等結構，物質特性從中性大氣逐漸過渡到等離子體（圖1）。電離層是地球大氣被太陽極紫外輻射和宇宙射線電離產生的，等離子體層的粒子來源于電離層，并在地球偶極磁場的作用下形成類似輪胎的三維分布。等離子體層具有明顯的外邊界，其高度平均約為20000 km，稱為等離子體層頂（Plasmapause）。等離子體層頂內是低溫、高密度的冷等離子體區域，主要受地球磁場和共轉電場控制。等離子體層頂外則是來自太陽風的熱等離子體，溫度至少比等離子體層高3個數量級。平靜期太陽風物質和能量注入較少，冷熱等離子體之間處于擴散平衡。隨著太陽風活動增強，包括密度、速度和行星際磁場增強，磁層空間被太陽風壓縮，一部分閉合磁力線開放，磁層大尺度對流電場增強，削弱地球共轉電場控制，導致等離子體層向地球方向收縮。與此同時，等離子體片的熱等離子體密度和溫度均升高，向地球方向注入，導致近地空間環境擾動。等離子體片的熱等離子體沿磁力線注入兩極的高層大氣，并與大氣分子和原子發生碰撞產生極光，在南北兩極形成近似以磁軸為中心橢圓形極光帶，也叫極光卵（Auroral Oval）。在極光卵赤道邊界以南的區域一般稱為亞極光區域（Subauroral Region）。亞極光區域在空間上與中緯度電離層密度槽、等離子體層頂、場向電流等存在交疊，使得其中的動力學過程非常復雜。
在地磁活動增強后，比如磁暴主相(Storm Main Phase)或亞暴擴展相(Substorm Expansion Phase)期間，等離子體片離子邊界與電子邊界分離，前者更靠近地球，從而在兩個邊界之間產生電勢差，該電勢差會沿磁力線映射至亞極光區域電離層，同時產生流向電離層的二區場向電流。在低電導率的亞極光區域，該二區場向電流通過極向流動的Pedersen電流與從電離層流出的一區場向電流閉合。沉降粒子與中性大氣的碰撞加熱、化學反應、垂直傳輸等過程耗空F區，強電場也同時降低E區密度。這導致電離層Pedersen電導率大大降低，形成強的尖峰狀極向電場，并在電場力驅動下產生離子西向漂移，形成亞極光極化流，即SAPS結構。在不同的二區場向電流結構下，SAPS甚至會出現雙峰（He et al., 2016）和震蕩結構（He et al., 2019），分別對應雙層電流和多層電流（圖2）。這使得SAPS的演化特征異常復雜，并在磁暴和亞暴期間表現出不同的演化模式（He et al., 2017）。這使得SAPS成為揭示磁層動力學過程和電離層反饋過程，從而揭示磁層-電離層耦合機制的重要研究對象。
從統計角度來看，從單峰到雙峰再到震蕩結構，對應著太陽活動或地磁活動增強。特別是通過對近幾十年發生的磁暴期間的SAPS結構進行調查發現：圖2中劇烈的震蕩結構只出現在少數極強磁暴的主相期間，可能代表著內磁層劇烈的相互作用。
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室副研究員何飛與國家衛星氣象中心、美國高山天文臺和北京大學合作利用一次超強磁暴期間的多衛星觀測數據，揭示了震蕩結構的演化過程，并通過理論分析，闡明了可能的物理機制。
2003年11月18日，太陽爆發產生的日冕物質拋射（CME）在兩天后到達地球軌道，產生了極強的磁暴。大量太陽風粒子注入磁層空間，高溫的等離子體片甚至推進到了距地表3000多公里的高度。在主相期間，SAPS的全局演化行為與普通磁暴類似[He et al., 2018]。在磁暴達到最強時，發生了行星際磁場Y分量由正變負，即其由指向昏側轉向指向晨側。與此同時，在同步軌道觀測到了明顯的等離子體片密度增強，預示著此時有熱等離子體流注入。流入電離層的二區場向電流也出現多層結構。此時在磁地方時子夜前，SAPS出現了劇烈的震蕩，而且該震蕩向西傳播至昏側附近。SAPS震蕩的特征如下（圖3）：
（1）漂移速度的峰谷差達到1.5 km/s，明顯超過直流漂移速度0.5 km/s。
（2）譜分析結果顯示速度震蕩頻率為0.2-0.4 Hz，相應的磁場擾動震蕩頻率約為0.3 Hz，表明該震蕩為超低頻波動。
（3）通過對其他大磁暴期間數據的核查，SAPS震蕩均發生在磁暴過程中行星際磁場Y分量由正變負后。
基于以上觀測事實和理論計算，從兩個角度對SAPS震蕩的可能機制進行了探討：從磁層角度看，在等離子體片內邊界附近，等離子體片與等離子體層冷熱相互作用激發的剪切流氣球模不穩定性（SF-BI）可能是SAPS震蕩的激發機制。行星際磁場Y分量由正變負使得磁力線與子午面的共面性更好，磁力線幾何形狀也更有利于激發不穩定性。SF-BI產生的阿爾芬波在西向傳播的同時，沿磁力線傳播至電離層，導致SAPS漂移速度和磁場的震蕩。從電離層角度看，多層場向電流結構導致的電離層反饋不穩定性，也可能在低電導率的亞極光區域激發小尺度結構，導致漂移速度的震蕩。
該研究清晰地表明了行星際磁場對磁層動力學及磁層電離層耦合的調控作用，為開展詳細的觀測研究和第一性原理模擬研究提供了新的思路。
圖1 地球磁層空間的基本結構示意圖，黑色箭頭曲線代表地球磁力線
圖2 不同類型的SAPS結構（從左至右為低緯到高緯）
3 SAPS震蕩特征及其譜分析